Energiebedarf 01.05.2018, 00:00 Uhr

Münchner Fernkältenetz wird kontinuierlich ausgebaut

Das bereits 24 Kilometer umfassende innerstädtische Fernkältenetz der Stadtwerke München wird weiter ausgebaut. Primär soll dafür das Kältepotenzial von Grundwasser, Stadtbächen, U-Bahn-Dükern und anderen natürlichen Kältequellen genutzt werden. Bei einem Kältebedarfspotenzial von mehr als 150 MW im innerstädtischen Bereich könnten laut Stadtwerke jährlich rund 25 000 Tonnen CO2-Emissionen eingespart werden.

Am Standort Stachus betreiben die Stadtwerke München eine Kältezentrale mit einer Erzeugungsleistung von 12 MW. Im Sommer dient das Grundwasser beziehungsweise Stadtbachwasser primär zur Rückkühlung der Kältemaschinen, im Winter wird weitgehend natürlich gekühlt. Bild: Stadtwerke München

Am Standort Stachus betreiben die Stadtwerke München eine Kältezentrale mit einer Erzeugungsleistung von 12 MW. Im Sommer dient das Grundwasser beziehungsweise Stadtbachwasser primär zur Rückkühlung der Kältemaschinen, im Winter wird weitgehend natürlich gekühlt. Bild: Stadtwerke München

Die Versorgung mit Fernkälte bietet für stark verdichtete Innenstädte mit Einzelhandelsgeschäften und Fußgängerzonen, aber auch für Geschäftsviertel, Büro- und Gewerbeparks fast nur Vorteile. In München soll deshalb das im Jahr 2011 in Betrieb genommene innerstädtische Fernkältenetz weiter ausgebaut werden.

Fernkälte-Projekte in München. Die Stadtwerke München bewerten das Interesse an einem Fernkälteanschluss von Anliegern, aber auch von Liegenschaftsverwaltern in Gewerbe- und Industriegebieten als hoch. Bild: Stadtwerke München

Fernkälte-Projekte in München. Die Stadtwerke München bewerten das Interesse an einem Fernkälteanschluss von Anliegern, aber auch von Liegenschaftsverwaltern in Gewerbe- und Industriegebieten als hoch. Bild: Stadtwerke München

Inzwischen haben die Stadtwerke München (SWM) die Kältezentrale unter dem Stachus auf eine Erzeugerleistung von 12 MW erweitert. Derzeit wird im Herzen der bayerischen Landeshauptstadt eine neue Trasse vom Odeonsplatz bis zum „Tal“ erstellt und an das bestehende Kältenetz angeschlossen. Da die Fernkälte-Aktivitäten der Stadtwerke bei den Anliegern auf eine große Resonanz gestoßen sind, wurde 2017 eine zweite Kältezentrale (Herzogspitalstraße) in Betrieb genommen; eine dritte Kältezentrale am Odeonsplatz ist zurzeit im Bau.

Die Erweiterung des Münchner Fernkältenetzes reicht vom Odeonsplatz bis zum „Tal“. Durch den Wegfall gebäudeinterner Kältezentralen in den Untergeschossen sowie der Rückkühler auf Dächern und in Dachgeschossen entsteht zusätzlich nutzbarer Raum. Bild: Stadtwerke München

Die Erweiterung des Münchner Fernkältenetzes reicht vom Odeonsplatz bis zum „Tal“. Durch den Wegfall gebäudeinterner Kältezentralen in den Untergeschossen sowie der Rückkühler auf Dächern und in Dachgeschossen entsteht zusätzlich nutzbarer Raum. Bild: Stadtwerke München

Im Gegensatz zur klassischen Fernkälte mit rein maschineller Kälteerzeugung, meist in Verbindung mit Eisspeichern, verfolgen die Stadtwerke München das Ziel, einen möglichst hohen Anteil an frei verfügbaren natürlichen Kältequellen in das Kältenetz einzubinden, mit direkter Kühlung im Winter und bedarfsabhängig zugeschalteter maschineller Kühlung im Sommer.

Grundwasser, Bäche und Düker

In erster Linie wird dabei das im Stadtgebiet und im Münchner Umland reichlich vorkommende Grundwasser mit Temperaturen zwischen zehn und 17 °C genutzt, aber auch die oft unterirdisch verlaufenden Stadtbäche sowie das Wasser von Düker-Bauwerken im Bereich der U-Bahnen; davon gibt es rund 150 in München. Für Lastspitzen und als Redundanz sind in der Stachus-Zentrale zusätzlich zu den Kältemaschinen neun Eisspeicher mit insgesamt 170 000 Liter Füllvolumen in das Kältenetz eingebunden.

Neun Eisspeicher mit einem Fassungsvermögen von 170 m3 stehen am Standort Stachus für Lastspitzen bereit. Durch die Nutzung von Überschussstrom werden die Verbrauchsspitzen umweltschonend und wirtschaftlich abgedeckt. Bild: Stadtwerke München

Neun Eisspeicher mit einem Fassungsvermögen von 170 m3 stehen am Standort Stachus für Lastspitzen bereit. Durch die Nutzung von Überschussstrom werden die Verbrauchsspitzen umweltschonend und wirtschaftlich abgedeckt. Bild: Stadtwerke München

Die Beladung der Eisspeicher erfolgt bevorzugt dann, wenn die Kältenachfrage niedrig ist und „billiger“ Nachtstrom beziehungsweise Überschussstrom aus erneuerbaren Energien zur Verfügung steht. Für die Rückkühlung der Kältemaschinen werden ebenfalls Grundwasser beziehungsweise Fließgewässer genutzt. Auch städtische Schwimmbäder könnten in das Rückkühlkonzept eingebunden werden. Aufgrund der niedrigen Verflüssigertemperaturen arbeiten die Kältemaschinen mit einem Energy Efficiency Ratio (EER)-Wert von bis zu 5,3, optimale hydraulische Verhältnisse vorausgesetzt. Durch die Nutzung der natürlichen Kältepotenziale können gegenüber einer rein maschinellen Kälteerzeugung laut SWM rund 70 % an elektrischem Strom eingespart werden.

Wo immer möglich und wirtschaftlich werden die Fernkälteleitungen in etwa 3,5 m Tiefe unterhalb der Fernwärmetrasse verlegt. Eine Dämmplatte zwischen Fernwärme- und Fernkälterohren soll die gegenseitige thermische Beeinflussung mindern.

Die aktuellen technischen Parameter im Fernkältenetz „Innenstadt“:

  • Anschlussleistung > 12 MW
  • Druckstufe PN 16
  • KMR-Rohr mit Leckageanzeige beziehungsweise Stahlrohr unisoliert mit kathodischem Korrosionsschutz (KKS)
  • Vorlauf 6–10 °C (gleitend, Außentemperatur geführt)
  • Rücklauf mindestens 16 °C (Einhaltungspflicht!)
  • Wärmeträger ist aufbereitetes Wasser mit Helaminzusätzen
  • Datenübertragung über LWL-Leitungen

Sommerliche elektrische Last-spitzen wie im Winter

Ein wesentlicher Antrieb für den Ausbau des Fernkältenetzes in München ist der stetig wachsende Strombedarf im Sommer mit Leistungsnachfragen im Stromnetz ähnlich wie im Winter. Experten gehen davon aus, dass in 20 Jahren der Bedarf an Kühlenergie in den Ballungsgebieten ebenso hoch sein wird wie der an Heizenergie. Hauptgrund für diese Entwicklung ist der zunehmende Einsatz von Klimaanlagen für Verkaufsflächen des Einzelhandels, für Bürogebäude, für hochwertige Wohngebäude sowie für Rechenzentren. Besondere Impulse für den Ausbau der Fernkälte setzten laut SWM die Jahrhundertsommer der Jahre 2003, 2006 und 2015.

Die Fachleute der SWM schätzen den Bedarf an Kälte allein in der Münchner Innenstadt auf 150 MW. Würde man die konventionellen Klima-Kaltwassersätze durch die leitungsgebundene „Öko-Kälte“ ersetzen, könnten nach Schätzungen der SWM rund 25 000 Tonnen CO2-Emissionen pro Jahr eingespart werden. Bislang haben die SWM in den Fernkälteausbau eigenen Angaben zufolge bereits über 30 Millionen Euro investiert. Folgende Argumente sprechen für einen Fernkälteanschluss: – Wertsteigerung der Immobilie

  • Reduzierung der Investitionskosten, da keine Kaltwassersätze und Rückkühler benötigt werden – Ruhigere Dachlandschaften durch Wegfall von Rückkühlbauwerken
  • Keine Lärmbelästigung durch Kältemaschinen, Rückkühler und Dachzentralen
  • Reduzierung der sommerlichen Wärmebelastung in den Innenstädten (keine zusätzliche Abwärme von Klimaanlagen)
  • minimierter Instandhaltungsaufwand; Inspektionen, Wartungen und Reparaturen an Kältemaschinen und Rückkühlwerken entfallen beim Nutzer.
  • Wegfall der Kältemittel- und Hygienethematik
  • Raumgewinn durch frei werdende Technikräume; diese können anderweitig genutzt werden, ggf. Gewinn an zusätzlichen Dachflächen, da Dachzentralen und Rückkühlbauwerke entfallen – geringere Störungsanfälligkeit, da nur Übergabestation im Gebäude
  • Kosten für zukünftige Modernisierungen im Bereich Kälteerzeugung entfallen
  • ökologische Wertsteigerung der Immobilie aufgrund des niedrigeren Primärenergiefaktors.

Starkes Interesse an „Öko-Kälte“

Die zahlreichen Baustellen in der Münchner Innenstadt durch den Ausbau des Fernkältenetzes mit den einhergehenden Verkehrsstaus und Umleitungen, haben die öffentliche Wahrnehmung an der ökologischen Fernkälte deutlich erhöht. So berichten die SWM von einem steigenden Interesse Münchner Unternehmen und Immobilienbesitzer an der umweltschonenden Kälteerzeugung, auch außerhalb des Fernkältenetzes. Wie es heißt, werden die SWM ihr umfangreiches Know-how im Bereich der Fernkälte auch für kundenspezifische Insellösungen auf der Basis von „Öko-Kälte“ anbieten. Ihren Vorteil sehen die SWM-Kälteexperten in ihren umfangreichen Erfahrungen bei Genehmigung, Planung und Betrieb sowie im Privileg, im öffentlichen Raum Brunnenanlagen bauen und nutzen zu können, das Wasser bestehender Gewässer und Düker energetisch anzapfen und Leitungen im kommunalen Raum verlegen zu dürfen.

Folgende Einzellösungen wurden in München bereits realisiert:

  • Grundwasserkälte aus U-Bahn-Dükern für das Forschungs- und Innovationszentrum (FIZ) der BMW Group im Münchner Norden; Einsparung von bis zu 10 GWh Strom beziehungsweise Vermeidung von 6 300 Tonnen CO2-Emissionen
  • Grundwasserkälte für die SWM-Zentrale in München-Moosach und das angegliederte IT-Rathaus
  • Grundwasserkälte für eine Großdruckerei in Moosach sowie für weitere Gewerbebetriebe in der Umgebung
  • Grundwasserkälte und -wärme (Düker) für ein Büro- und Geschäftshaus nahe Heimeranplatz mit späterem Anschluss weiterer Kunden. Der Einsatz einer Wärmepumpe, also die gleichzeitige Kälte- und Wärmenutzung, sorgt hier für eine ausgeglichene thermische Bilanz des Wasserhaushalts.

Rücklauftemperatur 16 °C und höher

Jeder Neuanschluss an das SWM-Fernkältenetz basiert auf einer Machbarkeitsstudie. Dabei legen die SWM größten Wert auf eine exakte Planung und auf belastbare Daten wie Anschlussleistung, Jahreskältearbeit/Volllaststunden und Hydraulik. Wichtigstes Ziel ist die Einhaltung der Rücklauftemperatur von 16 °C und höher an der Hausübergabestation. Nur so ist eine effiziente Betriebsweise von Naturkälteangeboten, dem Kältemaschinenbetrieb im Zusammenhang mit der wasserbehördlich genehmigten Temperaturspreizung für die Rückkühlung der Kältemaschinen zu gewährleisten. Ziel ist ein möglichst hoher Anteil an Naturkälte, die Minimierung des Kältemaschinenanteils bei gleichzeitiger Nutzung der Naturkälte für die Rückkühlung der Kältemaschine (niedrige Verflüssigertemperaturen) und der Verzicht auf den ineffizienten Einsatz strombetriebener Kühltürme, die als Redundanz installiert sind.

Fachplaner neigen zur Überdimensionierung

Doch Fernkälte ist vielerorts noch Neuland und mit Unsicherheiten bei der Planung der Übergabestation und der gebäudeinternen Hydraulik behaftet. In einer Diplomarbeit (Magdalena Durst, Hochschule für Angewandte Wissenschaften München, Stand: 2015) mit dem Titel „Erfassen und Analysieren von Optimierungspotenzialen für die nächste Kältebedarfsperiode der bisherigen Leistungsdaten der Kälteinsel Stachus“ wurden folgende Problemfelder definiert beziehungsweise Optimierungspotenziale herausgearbeitet, die insbesondere für den vom Kunden beauftragten TGA-Fachplaner relevant sind:

  • die meisten Kundenanlagen werden nicht vertragskonform betrieben, das heißt die vertraglich bestellten Anschlusswerte werden nicht erreicht
  • folglich liegt die Rücklauftemperatur bei den meisten Kunden-Anlagen unter den vertraglich vereinbarten 16 °C
  • nur wenige Kunden beziehen über den gesamten Tagesverlauf eine konstante Kältemenge
  • Großabnehmer von Fernkälte haben einen bedeutenden Einfluss auf die Betriebsweise der Gesamtanlage
  • Bei mittleren und kleineren Kälteabnehmern korrespondiert die Kältemengenabnahme stark mit den Ladenöffnungszeiten
  • Untersuchungen der Gleichzeitigkeit der Kälteabnahme führten zu dem Ergebnis, dass die Abnahme aller angeschlossenen Kunden an die Stachus-Zentrale nur 4 825 kW beträgt, das sind 40  % der zur Verfügung stehenden Leistung von 12 MW (Stand 2015).

Diese Diskrepanz lasse auf hohe Sicherheitszugaben durch die vom Kunden beauftragten TGA-Fachplaner schließen, so Magdalena Durst. Dies sei unter anderem auf die fehlende Erfahrung der meisten Planer mit Fernkälte zurückzuführen. Durch die hohen Reserven auf der Erzeugerseite sei deshalb die Gesamtwirtschaftlichkeit der Anlage infrage gestellt, so die Autorin. Als Maßnahme zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit schlägt sie unter anderem vor:

  • Konsequente Einhaltung der vertraglich festgelegten Rücklauftemperatur von 16 °C durch Ansprache des Kunden
  • Optimierung des Eisspeicher-Managements und Einbindung der Kältemaschine und der Eisspeicher in ein virtuelles Kraftwerk.

Fazit

Fernkälteanlagen auf der Basis weitgehend natürlicher Kältequellen wie Grundwasser, Fließgewässer, Düker oder andere natürliche Wärmesenken entwickeln sich in Ballungsgebieten zu einer ernst zu nehmenden Alternative zu Einzellösungen mit maschineller Kälteerzeugung. Ein Fernkälteanschluss lohnt sich laut SWM bereits ab einer Leistung von 100 kW, abhängig von den Vollbenutzungsstunden und der Lage der Immobilie. Das aktuell überzeugendste Argument für den Kunden dürfte allerdings sein, dass er durch den Anschluss an ein Fernkältenetz von allen Verbindlichkeiten hinsichtlich der zahlreichen Erlasse, Verordnungen und Gesetze rund um Planung, Aufstellung und Betrieb von Kälteanlagen und Rückkühlbauwerken befreit ist. Auch der F-Gase Phase Down und die Verknappung bei den teilhalogenierten Kältemitteln werden zu einem Umdenken beitragen.

In verdichteten Geschäftslagen spricht auch der Platzgewinn aufgrund der hohen Immobilienpreise beziehungsweise Mieten für einen Fernkälteanschluss. Ein wichtiges Entscheidungskriterium könnte künftig auch die Verankerung der Fernkälte im Gebäudeenergiegesetz (GEG) sein. Anstelle der anteiligen Deckung des Kälteenergiebedarfs durch die Nutzung erneuerbarer Energien kann diese Anforderung (§ 10 GEG, Absatz 3, Nummer 3) laut GEG-Referentenentwurf auch durch den Bezug von Fernkälte erfolgen. Nicht zuletzt entlastet die Fernkälte das innerstädtische Klima, vor allem in heißen Sommern.

Mehr Fernkälte in Europa

Fernkälte liegt in ganz Europa im Trend. Fachleute sagen der leitungsgebundenen Kälte eine ähnliche Entwicklung voraus wie der Fernwärme Anfang der 1970er Jahre. Die aktuelle F-Gase-Verordnung, der Phase Down der HFKW-Kältemittel sowie der Fachkräftemangel bei den Kälteanlagenbauunternehmen könnten den Trend noch verstärken. Auch städtebauliche Vorgaben, wonach Dachlandschaften als Kulturgut gelten, fördern den Trend zu zentralen Lösungen. Beispiele von Fernkälteanlagen in Europa: Stockholm (330 MW), Paris (290 MW), Helsinki (135 MW), Wien (113 MW, Ausbau bis 2020 auf 200 MW geplant), Amsterdam (76 MW), Barcelona (68 MW), Göteborg (67 MW), Frankfurt (45 MW), Berlin (44 MW), Kopenhagen (35 MW), Flughafen München (32 MW), Chemnitz (13 MW).

Fernkältebewertung im GEG-Entwurf

Der Referentenentwurf zum neuen Gebäudeenergiegesetz (GEG) sieht vor, dass Fernkälte (und Fernwärme) künftig anstelle der anteiligen Deckung des Wärme- und Kälteenergiebedarfs durch erneuerbare Energie eingesetzt werden darf. Wörtlich heißt es im Referentenentwurf in § 45 Fernwärme oder Fernkälte:

„(1) Anstelle der anteiligen Deckung des Wärme- und Kälteenergiebedarfs durch die Nutzung erneuerbarer Energien kann die Anforderung nach § 10 Absatz 1 Nummer 3 auch dadurch erfüllt werden, dass durch den Bezug von Fernwärme oder Fernkälte nach Maßgabe von Absatz 2 der Wärme- und Kälteenergiebedarf mindestens in Höhe des Anteils nach den Sätzen 2 und 3 gedeckt wird. Maßgeblicher Anteil ist der Anteil, der nach den §§ 37 bis 41 oder nach den §§ 43 und 44 für diejenige Energie gilt, aus der die Fernwärme oder Fernkälte ganz oder teilweise stammt. Bei der Berechnung nach Satz 1 wird nur die bezogene Menge der Fernwärme oder Fernkälte angerechnet, die rechnerisch aus Erneuerbaren Energien, aus Anlagen zur Nutzung von Abwärme oder aus KWK-Anlagen stammt.

(2) Die in dem Wärme- oder Kältenetz insgesamt verteilte Wärme oder Kälte muss stammen zu

  1. einem wesentlichen Anteil aus Erneuerbaren Energien,
  2. mindestens 50 Prozent aus Anlagen zur Nutzung von Abwärme,
  3. mindestens 50 Prozent aus KWK-Anlagen oder
  4. mindestens 50 Prozent durch eine Kombination der in den Nummern 1 bis 3 genannten Maßnahmen

Die §§ 37 bis 44 sind entsprechend anzuwenden.“

Realistische hydrothermale Standortverhältnisse als Planungsgrundlage

Die während mehrerer Eiszeiten entstandene Münchner Schotterebene mit ihren teils sehr dicken grundwasserreichen Kiesschichten gilt als ideale erneuerbare Energiequelle zur thermischen Nutzung im Bereich der Wärme- und Kälteerzeugung. Trotz der grundsätzlich idealen Rahmenbedingungen muss jedoch mit abweichenden lokalen Standortverhältnissen gerechnet werden. Die Dimensionierung geothermischer Anlagen sollte deshalb projektbezogen an das jeweilige hydrothermische Potenzial angepasst werden.

Um den Aufwand für die Erkundung der Geopotenziale und damit die Planungskosten für geothermische Wärme- und Kälteanlagen abzusichern bzw. eine generelle Grundlage für den beschleunigten Ausbau der Geothermie im oberflächennahen Untergrund zu schaffen, wurde vom Lehrstuhl für Hydrogeologie der Technischen Universität München (TUM) in Kooperation mit dem Bayerischen Landesamt für Umwelt (LfU) das Projekt GEPO – Geothermisches Potenzial der Münchner Schotterebene – initiiert (https://www.hydro.geo.tum.de/projects/gepo/).

Durch das Zusammenführen bereits vorliegender hydrothermaler Daten und den im Rahmen des Projekts gemessenen realen Grundwassertemperaturen sind erstmals verbindliche Aussagen der räumlich-zeitlichen Verteilung von Grundwassertemperaturen, deren Erwärmung bzw. Abkühlung sowie von längerfristigen Temperaturtrends möglich. Daraus lassen sich beispielsweise die Mächtigkeit von Grundwasserströmen sowie deren saisonale Temperatur ableiten und somit die Planungssicherheit verbessern.

Im Folgeprojekt GeoPot, „Geopotentials of the tertiary subsurface in the wider area of Munich“ (https://www.hydro.geo.tum.de/projects/geopot/), sollen die bisher gewonnenen Daten nochmals vertieft werden. Eines der Ziele des GeoPot-Projekts ist, die Auswirkungen von Wärmeeinleitungen (Abwärmefahnen) und Kälteentzügen durch Infrastruktur und Nutzer zu erfassen und zu dokumentieren. Dadurch können die hydrothermalen Einflüsse auf nachfolgende Entnahme- und Schluckbrunnen bzw. auf Erdwärmesonden besser erfasst werden. Ziel sind realitätsnahe Planungsdaten der jeweiligen Ist-Situation mit der Option, im Zweifelsfall von einem Geothermieprojekt wegen „thermischer Überlastung“ abzuraten.

Von Wolfgang Schmid

Wolfgang Schmid, freier Fachjournalist für Technische Gebäudeausrüstung, München.

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